CN102001053B - 陶瓷空心球复合结合剂立方氮化硼砂轮工作层及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种陶瓷空心球复合结合剂立方氮化硼砂轮工作层，属于超硬磨料工具制造领域。陶瓷空心球复合结合剂是由5%-15%的氧化铝陶瓷空心球颗粒做成孔材料与增强相，85-95%Cu-Sn-Ti活性胎体合金（10%Ti，60%Cu、30%Sn）做砂轮工作层胎体材料，两者混合均匀后，固相烧结、出炉冷却至室温后获得；复合结合剂立方氮化硼砂轮工作层是将15%-25%（质量百分比）的立方氮化硼磨粒、5%（质量百分比）的石墨颗粒与70%-80%（质量百分比）的复合结合剂层机械混合均匀，压制成坯，将坯料放入真空炉内高温液相烧结后制得。制备得到的复合结合剂立方氮化硼砂轮工作层具有高气孔率与高强度特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷空心球复合结合剂立方氮化硼(cubic boron nitride，简称CBN)砂轮工作层及其制造方法，属于超硬磨料工具制造领域。
背景技术
钛合金、镍基高温合金等高强韧性难加工材料的高效磨削工具是高性能立方氮化硼(CBN)超硬磨料砂轮。立方氮化硼砂轮主要由CBN磨粒、结合剂(胎体材料)、气孔、以及砂轮基体(轮毂)四部分组成。其中，前三部分合称为工作层，是砂轮起磨削作用的部分，而砂轮基体主要起支承工作层作用。对砂轮工作层而言，磨粒是磨削行为的主体，结合剂主要起将磨粒粘结成具有一定几何形状工具的作用，而气孔主要通过容屑、排屑、散热等作用直接影响磨削效率和质量，同时多孔结构还可在一定程度上降低砂轮的修整难度。另一方面，因为以镍基高温合金为代表的高强韧性难加工材料具有高效磨削过程中材料去除率高、负荷重、磨削生成热多的特点，理论上CBN超硬磨料砂轮应具备高锋利度、高型面稳定性与高耐用度的综合优异性能。因此，CBN砂轮工作层除需具备强耐磨性、高磨粒把持力与锋利切削刃外，还必须同时满足高气孔率与高强度的要求。
尽管现阶段广泛使用的传统树脂结合剂CBN砂轮、金属结合剂CBN砂轮与陶瓷结合剂CBN砂轮在普通磨削工艺中各具独特的性能优势，但它们均难以满足高效磨削对砂轮工作层的高要求。例如：
树脂结合剂CBN砂轮由于树脂结合剂耐热性差、弹性大、磨削热易导致树脂软化分解而不能牢固把持磨粒等原因，在高效深切磨削中受到局限性，主要用于低负荷精密磨削。
金属结合剂CBN砂轮主要包括多层烧结、单层电镀与单层钎焊三种。多层金属结合剂砂轮具有结合强度高、韧性好、耐磨性好、能承受重负荷磨削等优点，然而其自锐性差、容屑空间不足，磨削金属材料时工件粘着和砂轮堵塞情况严重，易烧伤工件，为此必须频繁修整砂轮。但是，多层砂轮的工作层通常为致密组织，在砂轮使用之初和磨损后的精密整形和修锐都非常困难。此外，电镀和钎焊超硬磨料砂轮尽管具有形状精度高、砂轮锋利的优势，但只有单层磨粒，在高效磨削中砂轮寿命仍较短，并且修整也困难。
陶瓷结合剂CBN砂轮具有充足的气孔、不易堵塞、自锐性好、切削锋利、易修整修锐等优势，但不可避免地又具有陶瓷材料脆性大，韧性、抗冲击性、抗疲劳性能差的缺点。这也使得普通陶瓷CBN砂轮在高速/超高速磨削领域的应用受到一定程度限制。此外，陶瓷材料内部气孔的形状与大小一致性差，分布也极不均匀，这一点与多孔金属结合剂砂轮工作层内部气孔形状、尺寸、分布不均匀类似，如图1所示。因此，尽管陶瓷砂轮工作层的整体强度可满足高效磨削要求，但其局部强度往往不足，重负荷磨削条件下砂轮易崩边，如图2所示。这不仅降低砂轮的锋利程度和高速旋转安全性，更无法获得稳定的磨削质量。
CBN超硬磨料砂轮存在的上述固有缺陷和弊端使得现阶段高效深切磨削难加工材料过程中出现了工件易烧伤、砂轮修整频繁、磨削质量稳定性差的共性问题。为了获得要求的加工质量目标，不得不降低材料去除率，导致难以实现预期的高效率磨削加工。为此，迫切需要开发一种兼具高气孔率与高强度的砂轮工作层。
发明内容
本发明提出一种陶瓷空心球复合结合剂CBN砂轮工作层制造方法。
一种陶瓷空心球复合结合剂CBN砂轮工作层，其特征在于，所述的CBN砂轮工作层的原料组分以及质量百分比含量为：
15-25％的CBN磨粒、
5％的石墨颗粒、
70-80％的陶瓷空心球复合结合剂；
所述的陶瓷空心球复合结合剂的原料组分以及质量百分比含量为：
5％-15％的氧化铝(Al2O3)陶瓷空心球颗粒，85-95％ Cu-Sn-Ti活性胎体合金，其中，陶瓷空心球颗的Cu-Sn-Ti活性胎体合金中各组分的含量为：10％Ti，60％Cu、30％Sn；
所述的CBN磨粒粒径为100-200微米、石墨颗粒的粒径为35-50微米；氧化铝(Al2O3)陶瓷空心球颗粒直径为100-120微米；Cu-Sn-Ti活性胎体合金粉末颗粒的粒径为20-30微米。
制备上述陶瓷空心球复合结合剂CBN砂轮工作层的方法，其特征在于包括以下的步骤：
(1)将氧化铝(Al2O3)陶瓷空心球颗粒作为成孔材料与增强相添加到Cu-Sn-Ti活性胎体合金粉末中，两者机械混合均匀后，在加热温度600℃、保温时间30min下固相烧结，冷却至室温出炉，制作陶瓷空心球复合结合剂；
(2)将CBN磨粒、石墨颗粒加入到制备得到的陶瓷空心球复合结合剂中，混合均匀，制成工作层毛坯；
(3)在加热温度880-940℃、保温时间10-30min工艺下将工作层毛坯放入真空加热炉内进行高温液相烧结，促使CBN磨粒、石墨颗粒、Al2O3陶瓷颗粒与Cu-Sn-Ti胎体合金之间分别发生化学反应形成牢固结合，制作具有高气孔率与高强度特性的方氮化硼砂轮工作层。
本发明的有益效果是：
首先，与传统多孔陶瓷砂轮或多孔金属结合剂砂轮内部因为存在孔隙结构而导致工作层型面局部强度较低、容易崩边的状况明显不同的是，向Cu-Sn-Ti结合剂层中添加氧化铝(Al2O3)空心陶瓷球后，不仅砂轮工作层的高气孔率和充裕容屑空间得到保证，而且凭借颗粒增强效应，还能提高砂轮工作层型面强度和工作层对磨粒的支撑强度，也即满足了工作层高气孔率与高强度的要求。
其次，选用Cu-Sn-Ti活性合金作为工作层胎体材料，可以利用Ti元素与CBN磨粒的B、N元素之间在优化的加热工艺下发生化学反应，生成TiN、TiB2、TiB等化合物，实现磨粒的牢固把持，同时保持CBN磨粒自身的超强耐磨性和锋利切削刃。
附图说明
图1是多孔金属结合剂砂轮组织微结构；
图2是陶瓷CBN砂轮工作层崩边；
图3是本发明制备的兼具高气孔率与高强度的CBN砂轮工作层组织结构示意图；
图3中：1-基体；2-工作层；21-胎体合金；22-气孔；23-CBN磨料片；24-容屑空间；
图4 是本发明制备的兼具高气孔率与高强度的CBN砂轮工作层组织结构实物照片。
具体实施方式：
实施例1
Al2O3陶瓷空心球(郑州市豫立实业有限公司提供)颗粒直径为100-120微米，其质量占复合结合剂层材料总质量的15％。选用85％Cu-Sn-Ti合金粉末(其中，Ti含量为10％，Cu、Sn质量比例为2∶1，纯粉自配)，粒径为20-30微米。将Al2O3颗粒与Cu-Sn-Ti合金粉末机械混匀并在加热温度600℃、保温时间30min工艺下固相烧结后出炉冷却至室温，得到陶瓷空心球复合结合剂。将占工作层材料总质量分别为15％的CBN磨粒、5％石墨颗粒与80％复合结合剂机械搅拌混合均匀，再用400MPa的压力压缩成毛坯。将毛坯放入真空加热炉，在加热温度880℃、保温时间30min工艺下进行高温真空液相活化烧结，使Cu-Sn-Ti合金分别与Al2O3陶瓷空心球颗粒、CBN磨粒、石墨颗粒发生化学反应，随炉冷却至室温出炉。
图3所示为发明实施例1制备的兼具高气孔率与高强度的CBN砂轮工作层组织结构示意图，图4为实物照片。此时，砂轮工作层内部的气孔率可达25％以上，并且由图4可以看出气孔形状均为球形或近球形，孔径约为80微米，大于图1所示的传统多孔砂轮内部的气孔直径(20-50微米)；工作层三点抗弯强度大于90MPa，高于传统多孔陶瓷结合剂砂轮工作层的抗弯强度(50-70MPa)，满足了砂轮工作层高强度与高气孔率要求。此外，工作层抗弯试验断裂过程中，未存在磨粒脱落现象，证明结合剂层对磨粒提供了高把持力。同时，磨粒的锋利切削刃和超强耐磨性亦得到可靠保证。
实施例2
Al2O3陶瓷空心球颗粒直径为100-120微米，其质量占复合结合剂层材料总质量的5％。选用9 5％Cu-Sn-Ti合金粉末(其中，Ti含量为10％，Cu、Sn质量比例为2∶1)，粒径为20-30微米。将Al2O3颗粒与Cu-Sn-Ti合金粉末机械混匀并在加热温度600℃、保温时间30min工艺下固相烧结后出炉冷却至室温，得到陶瓷空心球复合结合剂。将占工作层材料总质量25％的CBN磨粒、5％的石墨颗粒与70％的复合结合剂机械搅拌混合均匀，再用400MPa的压力压缩成毛坯。将毛坯放入真空加热炉，在加热温度880℃、保温时间30min工艺下进行高温真空液相活化烧结，使Cu-Sn-Ti合金分别与Al2O3陶瓷空心球颗粒、CBN磨粒、石墨颗粒发生化学反应，随炉冷却至室温出炉。
实施例3
Al2O3陶瓷空心球颗粒直径为100-120微米，其质量占复合结合剂层材料总质量的5％。选用95％ Cu-Sn-Ti合金粉末(其中，Ti含量为10％，Cu、Sn质量比例为2∶1)，粒径为20-30微米。将Al2O3陶瓷空心球颗粒与Cu-Sn-Ti合金粉末机械混匀并在加热温度600℃、保温时间30min工艺下固相烧结后出炉冷却至室温，得到陶瓷空心球复合结合剂。将占工作层材料总质量15％的CBN磨粒、5％的石墨颗粒与80％的复合结合剂机械搅拌混合均匀，再用400MPa的压力压缩成毛坯。将毛坯放入真空加热炉，在加热温度940℃、保温时间10min工艺下进行高温真空液相活化烧结，使Cu-Sn-Ti合金分别与Al2O3陶瓷空心球颗粒、CBN磨粒、石墨颗粒发生化学反应，随炉冷却至室温出炉。
实施例4
Al2O3陶瓷空心球颗粒直径为100-120微米，其质量占复合结合剂层材料总质量的15％。选用Cu-Sn-Ti合金粉末(其中，Ti含量为10％，Cu、Sn质量比例为2∶1)，粒径为20-30微米。将Al2O3颗粒与Cu-Sn-Ti合金粉末机械混匀并在加热温度600℃、保温时间30min工艺下固相烧结后出炉冷却至室温，得到陶瓷空心球复合结合剂。将占工作层材料总质量分别为25％与5％的CBN磨粒、石墨颗粒与复合结合剂机械搅拌混合均匀，再用400MPa的压力压缩成毛坯。将毛坯放入真空加热炉，在加热温度940℃、保温时间10min工艺下进行高温真空液相活化烧结，使Cu-Sn-Ti合金分别与Al2O3陶瓷空心球颗粒、CBN磨粒、石墨颗粒发生化学反应，随炉冷却至室温出炉。
实施例5
Al2O3陶瓷空心球颗粒直径为100-120微米，其质量占复合结合剂层材料总质量的10％。选用Cu-Sn-Ti合金粉末(其中，Ti含量为10％，Cu、Sn质量比例为2∶1)，粒径为20-30微米。将Al2O3颗粒与Cu-Sn-Ti合金粉末机械混匀并在加热温度600℃、保温时间30min工艺下固相烧结后出炉冷却至室温，得到陶瓷空心球复合结合剂。将占工作层材料总质量20％的CBN磨粒、5％的石墨颗粒与75％的复合结合剂机械搅拌混合均匀，再用400MPa的压力压缩成毛坯。将毛坯放入真空加热炉，在加热温度920℃、保温时间20min工艺下进行高温真空液相活化烧结，使Cu-Sn-Ti合金分别与Al2O3陶瓷空心球颗粒、CBN磨粒、石墨颗粒发生化学反应，随炉冷却至室温出炉。
实施例6
Al2O3陶瓷空心球颗粒直径为100-120微米，其质量占复合结合剂层材料总质量的10％。选用Cu-Sn-Ti合金粉末(其中，Ti含量为10％，Cu、Sn质量比例为2∶1)，粒径为20-30微米。将Al2O3颗粒与Cu-Sn-Ti合金粉末机械混匀并在加热温度600℃、保温时间30min工艺下固相烧结后出炉冷却至室温，得到陶瓷空心球复合结合剂。将占工作层材料总质量15％的CBN磨粒、5％的石墨颗粒与80％的复合结合剂机械搅拌混合均匀，再用400MPa的压力压缩成毛坯。将毛坯放入真空加热炉，在加热温度920℃、保温时间20min工艺下进行高温真空液相活化烧结，使Cu-Sn-Ti合金分别与Al2O3陶瓷空心球颗粒、CBN磨粒、石墨颗粒发生化学反应，随炉冷却至室温出炉。
实施例7
Al2O3陶瓷空心球颗粒直径为100-120微米，其质量占复合结合剂层材料总质量的15％。选用85％Cu-Sn-Ti合金粉末(其中，Ti含量为10％，Cu、Sn质量比例为2∶1)，粒径为20-30微米。将Al2O3陶瓷空心球颗粒与Cu-Sn-Ti合金粉末机械混匀并在加热温度600℃、保温时间30min工艺下固相烧结后出炉冷却至室温，得到陶瓷空心球复合结合剂。将占工作层材料总质量20％的CBN磨粒、5％石墨颗粒与7 5％的陶瓷空心球复合结合剂机械搅拌混合均匀，再用400MPa的压力压缩成毛坯。将毛坯放入真空加热炉，在加热温度900℃、保温时间20min工艺下进行高温真空液相活化烧结，使Cu-Sn-Ti合金分别与Al2O3陶瓷空心球颗粒、CBN磨粒、石墨颗粒发生化学反应，随炉冷却至室温出炉。
Claims (4)
1.一种陶瓷空心球复合结合剂立方氮化硼砂轮工作层，其特征在于，所述的立方氮化硼砂轮工作层的原料组分以及质量百分比含量为：
15%-25 %的立方氮化硼磨粒、
5%的石墨颗粒、
70%-80%的陶瓷空心球复合结合剂；
所述的陶瓷空心球复合结合剂的原料组分以及质量百分比含量为：
5%-15%的氧化铝陶瓷空心球颗粒，85-95% Cu-Sn-Ti活性胎体合金；
所述的Cu-Sn-Ti活性胎体合金中各组分的含量为：10%Ti，60%Cu、30%Sn。
2.根据权利要求1所述的陶瓷空心球复合结合剂立方氮化硼砂轮工作层，其特征在于所述的立方氮化硼磨粒粒径为100-200微米、石墨颗粒的粒径为35-50微米；氧化铝陶瓷空心球颗粒直径为100-120微米；Cu-Sn-Ti活性胎体合金粉末颗粒的粒径为20-30微米。
3.制备权利要求1所述的陶瓷空心球复合结合剂立方氮化硼砂轮工作层的方法，其特征在于包括以下的步骤：
（1）将氧化铝陶瓷空心球颗粒作为成孔材料与增强相添加到Cu-Sn-Ti活性胎体合金粉末中，两者机械混合均匀后，在加热温度600℃、保温时间30min下固相烧结，冷却至室温出炉，制作陶瓷空心球复合结合剂；
（2）将CBN磨粒、石墨颗粒加入到制备得到的陶瓷空心球复合结合剂中，混合均匀，制成工作层毛坯；
（3）在加热温度880-940℃、保温时间10-30min工艺下将工作层毛坯放入真空加热炉内进行高温液相烧结，促使立方氮化硼磨粒、石墨颗粒、氧化铝陶瓷空心球颗粒与Cu-Sn-Ti胎体合金之间分别发生化学反应形成牢固结合，制作具有高气孔率与高强度特性的立方氮化硼砂轮工作层。
4.根据权利要求3所述的陶瓷空心球复合结合剂立方氮化硼砂轮工作层的制备方法，其特征在于所述的立方氮化硼磨粒粒径为100-200微米、石墨颗粒的粒径为35-50微米；氧化铝陶瓷空心球颗粒直径为100-120微米；Cu-Sn-Ti活性胎体合金粉末颗粒的粒径为20-30微米。
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